پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

شناسایی و طبقه‌بندی زمین‌شکل‌های بیابانی مبتنی بر الگوریتم جنگل تصادفی در شرق شهرستان گرمسار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه ژئومورفولوژی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران
10.22034/gmpj.2025.532717.1569
چکیده
نقشه‌های ژئومورفولوژی ابزارهای مهمی در ارزیابی فرآیندهای ژئومورفولوژیکی، هیدرولوژیکی، و مدیریت منابع طبیعی هستند. روش‌های سنتی نقشه‌برداری لندفرم‌ها، که شامل مشاهدات میدانی و تصاویر هوایی می‌شود، به دلیل زمان‌بر بودن و هزینه‌های بالای اجرایی محدودیت‌هایی دارند. در این پژوهش، از الگوریتم یادگیری ماشین جنگل تصادفی برای تولید نقشه‌های لندفرم در منطقه بیابانی ده نمک و آرادان استفاده شد. برای این منظور، از داده‌های ماهواره‌ای سنتینل 2آ سال 2023و شاخص‌های مورفومتری شامل رطوبت توپوگرافیک، انحنا کلی و ناهمواری زمین به همراه مدل رقومی ارتفاع 10 متر استفاده گردید. در این مطالعه، دو مدل شامل مدل اپتیک استفاده از داده‌های سنتینل 2آ به‌تنهایی و مدل اپتیک-مورفومتریک ترکیب داده‌های سنتینل 2آ با شاخص‌های مورفومتری برای طبقه‌بندی لندفرم‌ها بررسی شد. نتایج نشان داد که مدل ترکیبی دقت بالاتری در شبیه‌سازی مرزهای لندفرم‌ها و شناسایی لندفرم‌های با تغییرات شدید ارتفاعی مانند تپه ماهور، کوهستان با دامنه منظم و هوگ بک ارائه داد. همچنین، مدل ترکیبی توانست مناطق دشتی و کوهستانی را به‌طور مؤثری از یکدیگر تفکیک کند. علاوه براین، استفاده از شاخص‌های مورفومتری به‌طور چشمگیری دقت طبقه‌بندی لندفرم‌ها را افزایش داده است. به‌طوری‌که با افزایش دقت کلی از ۷۸ درصد به ۸۵ درصد و ارتقاء شاخص کاپا از 74/0 به 82/0، توانست تفکیک دقیق‌تری از واحدهای لندفرمی ارائه دهد. این روش می‌تواند زمان و هزینه‌های نقشه‌برداری لندفرم‌ها را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد و دقت نقشه‌های ژئومورفولوژیکی را بهبود بخشد. نتایج این پژوهش به‌ویژه در زمینه‌های مدیریت منابع آب، پایش تغییرات محیطی و برنامه‌ریزی کاربری اراضی کاربرد دارد و پیشنهاد می‌شود که در مطالعات آتی از ترکیب داده‌های مورفومتری و ماهواره‌ای برای بهبود تفکیک لندفرم‌ها استفاده شود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Identification and classification of desert landforms using the random forest algorithm in the Garmsar region

نویسندگان English

Fatemeh Emadoddin
Ali Ahmadabadi
ezzatolah Ghanavati
Ph.D. Candidate in Geomorphology, Kharazmi University
چکیده English

Introduction

Geomorphological maps provide detailed insights into landforms, surface processes, and terrain evolution, and have been widely developed across the world. These maps are not only of scientific importance but also serve essential roles in natural hazard assessment, urban planning, archaeological surveys, land use management, and climate change adaptation. Traditional methods for geomorphological mapping—based on fieldwork and manual interpretation of topographic maps and aerial photos—are often time-consuming, costly, and subjective. Over the past three decades, advancements in remote sensing and digital elevation models have enabled the development of semi-automated and quantitative mapping techniques. Among these, machine learning algorithms such as Random Forest have shown high performance in supervised landform classification. This study aims to produce a detailed geomorphological map of the arid regions of Dehnamak and Aradan using Sentinel-2A data and the Random Forest algorithm. The region has not been the subject of previous similar studies, making this research a valuable contribution to high-precision landform mapping and the broader application of advanced classification techniques in arid environments of Iran.





Methodology

This study aims to classify landforms in a mountainous and arid region using the Random Forest (RF) algorithm and to assess the impact of integrating morphometric indices with satellite imagery on classification accuracy. The study area is located on the southern slopes of the Central Alborz Mountains, overlooking the Central Iranian Plateau. Geographically, it spans parts of Semnan and Tehran provinces, including mountainous terrains in the north and desert areas in the south, mainly situated between Semnan and Garmsar counties. Sentinel-2A imagery was used as the primary remote sensing dataset. Additionally, three key morphometric indices—Topographic Wetness Index (TWI), Curvature, and Surface Roughness—were derived from a Digital Elevation Model (DEM) to improve terrain characterization. Landform classification was conducted in two stages: first, using only Sentinel-2A imagery with the RF algorithm; and second, by combining the morphometric indices with the Sentinel-2A data in the RF model. Accuracy assessment was performed using the Kappa coefficient and Overall Accuracy metrics.



Results and Discussion

The analysis of landform classification results using two distinct approaches—a spectral model based solely on Sentinel-2A data and a combined model integrating morphometric parameters (curvature and surface roughness)—revealed significant differences in the accuracy and quality of landform identification. Statistical and spatial outputs from both models showed varying patterns of coverage and separability across geomorphological classes.

Certain classes such as agricultural lands, mountainous areas with shallow valleys, eroded mountain slopes, and fluvial deposits exhibited similar classification accuracies in both models. For instance, the area of agricultural lands was estimated at 122.5 km² (4.6%) in the spectral model and 109.2 km² (4.1%) in the combined model, indicating minimal difference due to their distinct spectral features and relatively simple topography.

Conversely, classes like young alluvial fans, clay plains, and salt flats showed better accuracy in the spectral model. For example, young alluvial fans covered 397.5 km² (15%) in the spectral model but only 318.5 km² (12%) in the combined model. The salt flats also showed a sharp drop in the combined model—from 99.1 km² (3.7%) to 27.5 km² (1%)—due to reduced sensitivity to spectral brightness caused by the emphasis on morphometric features.



In contrast, the combined model performed better in identifying complex geomorphic units such as hills, regular mountain slopes, and hogbacks. Quantitative validation using 100 random ground control points showed higher accuracy for the combined model (85% overall accuracy, Kappa = 0.82) compared to the spectral model (78%, Kappa = 0.74). These findings confirm that integrating spectral and morphometric data improves landform classification in topographically complex environments and aligns with prior studies (e.g., Regmi et al., 2024; Veronesi & Hurni, 2014).



Conclusion

Landform mapping is a complex process influenced by data type and classification methods. This study evaluated the performance of the Random Forest algorithm using two scenarios: one based solely on Sentinel-2 spectral data (optical model), and another combining spectral data with morphometric indices—Topographic Wetness Index (TWI), curvature, and roughness (combined model). Results showed that integrating spectral and morphometric data improved classification accuracy for certain landforms, although not uniformly across all classes.

While both models performed similarly for units such as agricultural land, shallow-slope mountains, playa margins, and badlands, the optical model yielded better results for classes like salt flats, clay plains, and new alluvial fans—highlighting the strength of spectral data in distinguishing units with unique reflectance. Conversely, the combined model outperformed in identifying landforms like undulating hills, floodplains, hogbacks, and structured mountains, where topographic variation is more significant.

Overall, the combined model increased overall accuracy from 78% to 85% and the Kappa index from 0.74 to 0.82, demonstrating improved landform delineation. This suggests that combining spectral and morphometric variables provides a more robust classification, especially in geomorphologically diverse areas. Future improvements may involve using multi-temporal data, deep learning methods, and optimized variable integration.

کلیدواژه‌ها English

Landform Clasiification
Random Forest
Morphometry
Sentinel-2A
Garmsar
 پاکنژاد، ف.، احمدآبادی، ع.، قنواتی، ع، و زحمتکش، ح.، 1402. پهنه‌بندی مناطق مستعد دارای جریان‌های واریزه‌ای با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین (مطالعه موردی: حوضه تنگراه استان گلستان). پژوهش‌های فرسایش محیطی، 13(1): 28-1.
توکل، م.ح.، قهرودی تالی، م.، صدوق، س.ح، و علی نوری، خ.، 1401. مدل جنگل تصادفی جهت شناسایی تحولات میکرولندفرم‌ها با استفاده از تصاویر پهباد (مطالعه موردی: منطقه افجه در حوضه جاجرود 1397-1396). پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، 11(2):  13-1.
سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی، گزارش نقشه زمین‌شناسی 1:100000 آرادان، 1391.
سراسکانرود، ص.ا.، امیدی فر، م، و قلعه، ا.، 1401. شناسایی و استخراج لندفرم‌ها و کاربری‌های اراضی حوضه‌ی آبریز قرنقو با استفاده از تکنیک شی‌گرا. هیدروژئومورفولوژی، 9(31): 23-1.
شایان، س.، احمدآبادی، ع.، یمانی، م.، فرج زاده، م، و کبیر، ا.، 1391. ارزیابی کارایی شاخص‌های ژئومورفومتریک به روش وود در طبقه‌بندی لندفرم‌های مناطق خشک (مطالعه موردی: منطقه مرنجاب). برنامه ریزی و آمایش فضا، 16(1): 120-105.
شایان، س.، یمانی، م.، فرج زاده، م، و احمدآبادی، ع.، 1391. طبقه‌بندی نظارت شده لندفرم‌های ژئومورفولوژیکی مناطق خشک با استفاده از پارامترهای ژئومورفومتریک (نمونه موردی: منطقه مرنجاب). سنجش از دور و GIS ایران، 4(2): 28-19.
رعیتی شوازی، م.، کرم، ا.، غفاریان مالمیری، ح، و سپهر، ع. 1397. مقایسه کارایی برخی الگوریتم‌های طبقه‌بندی در مطالعه تغییرات لندفرم‌های بیابانی دشت یزد-اردکان. پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی، 6(1): 73-57.
صمدی، م.، جلالی، س.، کرنژادی، آ، و صمد قشلاقچائی، م.، 1395. بررسی شاخص‌های مورفومتری در حوضه آبخیز چهل چای استان گلستان با استفاده از GIS، مهندسی نقشه‌برداری و اطلاعات مکانی، 74-67.
محمدزاده، ک.، حسینی، س.ا.، صمدی، م.، لعلی نیت، ا، و رحیمی، م.، 1400. شناسایی نیمه خودکار لندفرم‌ها با استفاده از پردازش فازی شی‌ءگرای تصاویر ماهواره‌ای مطالعه موردی: شهرستان ماکو. اطلاعات جغرافیایی، 30(118): 91-77.
Aghdam, I. N., Pradhan, B., Panahi, M. (2017). Landslide susceptibility assessment using a novel hybrid model of statistical bivariate methods (FR and WOE) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) at southern Zagros Mountains in Iran. Environmental Earth Sciences, 76(6): 237. DOI:10.1007/s12665-017-6558-0
Adediran, A.O., Parcharidis, I., Poscolieri, M., & Pavlopoulos, K. (2004). Computer-assisted discrimination of morphological units on north-central Crete (Greece) by applying multivariate statistics to local relief gradients. Geomorphology, 58(1-4): 357-370. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2003.07.024
Bishop, M.P., James, L.A., Shroder, J.F. & Walsh, S.J. (2012). Geospatial technologies and digital geomorphological mapping: Concepts, issues and research. Geomorphology, 137(1): 5-26. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.06.027
Breiman, L., & Cutler, A. (2011). Manual–setting up, using, and understanding random forests V4. 0. 2003. URL. https://www.stat.berkeley.edu/%7Ebreiman/Using_random_forests_v4.0.pdf
Breiman, L., 2001. Random forests. Mach. Learn. 45, 5–32
Breiman, L., Friedman, J., Olshen, R.A., & Stone C.J. (1984). Classification and Regression Trees. New York. https://doi.org/10.1201/9781315139470
Chelli, A., Bordoni, M., Cappadonia, C., Pepe, G., Rotigliano, E. & Smith, M. (2021). Geomorphological tools for mapping natural hazards. Maps, 17(3): 1–4. https://doi.org/10.1080/17445647.2021.1920794
Cohen, J. (1960). A coefficient of agreement for nominal scales. Educational and Psychological Measurement, 20(1): 37–46. https://doi.org/10.1177/001316446002000104
Dikau, R., Brabb, E.E., Mark, R.M. (1991). Landform Classification of New Mexico by Computer. US Department of the Interior. US Geologocal Survey.
Dragut, L., Blaschke, T. (2006). Automated classification of landform elements using object-based image analysis. Geomorphology, 81(3-4): 3-4. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2006.04.013
Du, L., You, X., Li, K., Meng, L., Cheng, G., Ziong, L., & Wang, G. (2019). Multi-modal deep learning for landform recognition. Photogrammetry and Remote Sensing, 158: 63-75. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2019.09.018
Fisher P, Wood J, Cheng T. (2004). Where is Helvellyn? Fuzziness of Multiscal Landscape Morphometry, Transactions of the Institute of British Geograhper. (29): 106-128.
Garcia-Aguirre, M.c., Ortiz, M.A., Zamorano, J.J., & Reyes, Y. (2007). Vegetation and landform relationships at Ajusco volcano Mexico, using a geographic information system (GIS). Forest Ecology and Management, 239(1-3): 1-12. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2006.10.031
Grabs, T., Seibert, J., Bishop, K., & Laudon, H. (2009). Modeling spatial patterns of saturated areas: A comparison of the topographic wetness index and a dynamic distributed model. Hydrology, 373(1-2): 15-23. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2009.03.031
Hammond, E.H. (1964). Analysis of properties in land form geography: An application to broad-scale land form mapping. Annals of the Association of American Geographers, 54(1): 11-19. http://refhub.elsevier.com/S2590-1974(24)00050-8/sref25
Harris, J., & Grunsky, E.C. (2015). Predictive lithological mapping of Canada's North using Random Forest classification applied to geophysical and geochemical data. Computer & Geosciences, 80: 9-25. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2015.03.013.
Li, S., Ziong, L., Tang, G., & Strobl, J. (2020). Deep learning-based approach for landform classification from integrated data sources of digital elevation model and imagery. Geomorphology, 354: 107045. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2020.107045
Libohova, Z., Winzeler, H.E., Lee, B., Schoeneberger, P.J., Datta, J., & Owens, P.R. (2016). Geomorphons: Landform and property predictions in a glacial moraine in Indiana landscapes. Catena, 142: 66-76. https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.01.002
Middleton, M., Heikkonen, J., Nevalainen, P., Hyvonen, E., & Sutinen, R. (2020). Machine learning-based mapping of micro-topographic earthquake-induced paleo-Pulju moraines and liquefaction spreads from a digital elevation model acquired through laser scanning. Geomorphology, 358: 107099. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2020.107099\
Moore, I.D., Grayson, R.B., Ladson, A.R. (1991). Digital terrain modeling: a review of hydrological, geomorphological, and biological applications. Hydrological Processes 5(1): 3–30. https://doi.org/10.1002/hyp.3360050103
Paron, P. & Claessens, L. (2011). Makers and users of geomorphological maps. Developments in Earth Surface Processes, 15: 75-106. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53446-00004-5
Regmi, N.R., & Rasmussen, C. (2018). Predictive mapping of soil-landscape relationships in the arid Southwest United States. Catena, 165: 473-486. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.02.031
Regmi, N.R., Webb, N.D.S., Walter, J.I., Heo, J., & Hayman, N.W. (2024). Mapping landforms of a hilly landscape using machine learning and high-resolution LiDAR topographic data. Applied Computing and Geoscience, 24: 100203. https://doi.org/10.1016/j.acags.2024.100203
Riley, S. J., S. D. DeGloria, and R. Elliot. 1999. A terrain ruggedness index that quantifies topographic heterogeneity. Sciences, 5:1–4.
Roccati, A., Mandarino, A., Perasso, L., Robbiano, A., Luino, F. & Faccini, F. (2020) Large-scale geomorphology of the Entella River floodplain (Italy) for coastal urban areas management. Maps, 17(4): 98–112. https://doi.org/10.1080/17445647.2020.1738281
Schmidt, J., Evans, I. S. and Brinkmann, J, 2003. Comparison of Polynomial models for land surface curvature calculation. Geographical Information Science, 17(8), 797-814.
Shruthi, R.B., Kerle, N., Jetten, V., & Stein, A. (2014). Object-based gully system prediction from medium resolution imagery using Random Forests. Geomorphology, 216: 283-294. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2014.04.006.
Siervo, V., Pescatore, E., & Giano, S.I. (2023). Geomorphic analysis and semi-automated landforms extraction in different natural landscapes. Environmental Earth Science, 82(128). https://doi.org/10.1007/s12665-023-10823-4
Siqueira, R.G., Veloso, G.V., Fernandes-Filho, E.I., Fancelino, M.R., Schaefer, C.E.G.R., & Correa, G.R. (2021). Evaluation of machine learning algorithms to classify and map landforms in Antarctica. Earth Surface Processes and Landforms, 47(2): 367-382. https://doi.org/10.1002/esp.5253
Summerell, G., Vaze, J., Tuteja, N., Grayson, R., Beale, G., & Dowling, T. (2005). Delineating the major landforms of catchments using an objective hydrological terrain analysis method. Water Resources Research, 41(12). https://doi.org/10.1029/2005WR004013
Taalab, K., Cheng, T., & Zhang, Y. (2018). Mapping landslide susceptibility and types using Random Forest. Big Earth Data, 2(2): 159-178. https://doi.org/10.1080/20964471.2018.1472392.
Van Lanen, R.J., Kosian, M.C., Groenewoudt, B.J. & Jansma, E. (2015). Finding a way: Modeling landscape prerequisites for Roman and early medieval routes in the Netherlands. Geoarchaeology, 30(3): 200–222. https://doi.org/10.1002/gea.21510
Veronesi, F., & Hurni, L. (2014). Random Forest with semantic tie points for classifying landforms and creating rigorous shaded relief representations. Geomorphology, 224: 152-160. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2014.07.020
Verstappen, H.T. (2011). Old and new trends in geomorphological and landform mapping. Developments in Earth Surface Processes, 15: 13-38. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53446-0.00002-1
Wageningen University and Research. (2020) Storymap klimaatopgave Ede. Available at https://geodesk.maps.arcgis.com/apps/Map Journal/index.html?appid=20e4de67e33845fa84e23211431108a4[accessed 26 October 2021].
Youssef, A.M., Pourghasemi, H.R., Pourtaghi, Z.S., & Al-Katheeri, M.M. (2016). Landslide susceptibility mapping using random forest, boosted regression tree, classification and regression tree, and general linear models and comparison of their performance at Wadi Tayyah Basin, Asir Region, Saudi Arabia. Landslides, 13: 839–856. https://doi.org/10.1007/s10346-015-0614-1.
Zhao, Wf., Xiong, Ly., Ding, H., & Tang, G.-a. (2017). Automatic recognition of loess landforms using Random Forest method. Mountain Science, 14: 885–897. https://doi.org/10.1007/s11629-016-4320-9